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15.2 比较器应用3

大家好,欢迎观看 TI 高精度实验室 视频,本节讨论比较器 应用的第 3 部分。 在本视频中,我们将讨论 几个关于比较器的主题,其中 包括在比较器 设计中使用单电源 和双电源之间的 差异、比较器的 共模电压限制、 比较器输出 信号中的 启动不确定性 以及击穿电流 传播延迟和 最大切换 频率的 内容。 工程师们常常 想知道比较器 是否可以成功地 与双电源配合使用。 尽管比较器 最经常被显示和指定单 电源配置 , 但它们几乎总是 配置为双电源。 该幻灯片显示了 4 个与单电源和 双电源配合 使用的 3.3 伏 集电极开路和推挽 输出比较器示例。 这些配置之间的 主要差异在于 输入和输出电压 范围以及输出 电流行为。 在左上角, 我们具有 一个配置为 单电源的 集电极开路比较器。 当电路的输出为 逻辑高电平时, 输出级晶体管 关闭,并且上拉 电阻器将电压 上拉至电源。 在该状态下, 比较器的输出 未消耗电流, 没有电流流过 上拉电阻器。 当输出被驱动为 低电平,达到 0 伏时, 比较器的输出级 晶体管导通,上拉 电阻器上将 具有完整的 3.3 伏电源电压。 可以通过将 电源电压 除以上拉电阻来 计算输出级中的 电流。 在左下角, 我们具有 配置为双 电源的集电极 开路比较器。 V+ 到 V- 的 总电源电压 仍为 3.3 伏, 唯一的变动 是中位电压 现在等于 0 伏。 现在,V+ 是正 1.65 伏,V- 是 负 1.65 伏。 对于该电路,输入 共模范围和输出 摆幅范围跨越负 1.65 伏至正 1.65 伏的 电源范围。 与单电源电路 类似,当输出 为正 1.65 伏的 高电平时, 该配置不需要电流, 当输出为负 1.65 伏的 低电平时, 将灌入电流。 右上角是配置为 单电源的推挽 比较器。 在该情况下,输出 连接到一个负载电阻器。 当比较器的输出 为 0 伏的低电平时, 输出电流为 0, 因为负载上的 电压为 0。 当输出为 3.3 伏的 高电平时, 比较器会拉取电流, 该电流大小等于 3.3 伏除以负载电阻。 最后,在右下角,我们 具有配置为双电源的 推挽比较器。 在该情况下, 当比较器 将输出驱动至正 1.65 伏的高电平时, 它必须拉取电流, 将输出驱动至负 1.65 伏的低电平时, 它必须灌入电流。 让我们继续讨论 比较器的输入 共模电压范围。 尽管对于许多 比较器,允许的 共模电压简单明了, 其范围为负电源 电压至正电源电压, 但存在一些有趣的 例外情况。 例如,毫微功耗 比较器 TLV3401 和 TLV3701 可提供 正电源电压 VCC 以上正 5 伏的 输入共模范围 VICR。 工程师们常常询问 在该扩展的共模电压 区域内运行时, 这些器件是否 仍具有与比较器 相同的行为。 由于这是器件 数据表的 电气特性表中 提供的一项规格, 因此这意味着 在此条件下 该产品仍 将按照规定 运行。 然而,共模范围 高出电源如此 之多是不常见的, 因此我们构建了 左侧显示的电路 并在工作台上 对其进行了测试, 以展示其在比 正电源高 5 伏的 输入信号下的 运行情况。 该幻灯片的中间 部分提供了电路 运行的示波器 截图,其中 输入信号以 橙色显示, 输出信号以 蓝色显示。 TLV3401 确实正常 运行,但有趣的是, 我们发现使输出 更改状态所需的 差分输入 电压会在 VCC 增大时增大。 右侧的表中 总结了这些结果。 尽管差分输入 电压要求稍大 一些,但该功能 可以为输入电压 具有比 VCC 更大的共模 电平的应用提供 更简单的解决方案。 会在比较器 电路中遇到的 一个常见问题称为启动 输出状态不确定性。 启动状态不确定性 意味着当比较器的 电源电压升高时, 无论输入信号如何, 输出都可能会在 各种状态之间来回转换。 因此,在启动期间 输出可能会间歇性地 提供虚假或 错误的状态, 直到电源 电压达到 比较器的最低 额定工作电压、 器件稳定。 如果比较器后面的 电路在启动期间 更快地激活并且 根据来自比较器的 意外输出状态进行操作, 那么这可能是一个问题。 此处显示的电路中 使用 TLV3492 说明了 该行为。 在该示例中, 电源电压 使用锯齿信号 发生器缓慢升高。 以红色和黑色 显示了两组 不同的输入情况。 对于第一种以 红色显示的情况, 同相输入上的 电压大于 反相输入 上的电压, 因此输出应 为逻辑高电平。 我们可以看到, 当电源电压 从 0 伏升至 3 伏时, 输出状态实际上 从逻辑低电平转换为逻辑高电平, 然后再转换为逻辑低电平, 然后在电源电压达到 1.5 伏时稳定至逻辑 高电平。 在这一点之后, 比较器的输出 保持在逻辑高 电平,这符合预期。 请记住,对于 TLV3492,1.5 伏 实际上低于 最小电源电压 要求 1.8 伏。 对于以黑色 显示的第二种 情况,反相 输入电压 高于同相 输入电压。 在这种情况下,预期的 输出为逻辑低电平, 但实际输出 在电源电压 升高时短暂地 转换为逻辑高电平。 该不确定启动 行为是不常见的, 可以在许多 比较器中观察到。 所幸的是,某些更 现代的比较器具有 相应的内部电路, 可以解决该问题。 例如,TLV3691 具有上电复位 -- 或 POR -- 电路,该电路 可在启动期间 强制比较器 输出为低电平。 如果我们重复 前一张幻灯片中的 电源电压升高 测试,那么我们 可以观察到在 达到最低 VCC 之前, 比较器输出一直 保持低电平。 这可能是某些 可靠启动行为 至关重要的应用 中的重要功能。 具有推挽输出的 比较器的一项 重要交流 注意事项 称为击穿电流。 这是在特定的 条件下从正 电源流向 负电源的 电流浪涌。 当比较器 输出的状态 变化时会产生 击穿电流,此时 此时两个输出晶体管 都短暂地导通。 这会创建一条 从正电源通过 输出电阻器的 导通电阻到达 负电源的电流 路径,从而导致 电源电流中 出现短暂的 干扰。 这些干扰可能会 影响邻近的比较器, 尤其是在使用双封装 或四封装器件时。 电源干扰还可能 会影响连接到 同一电源的 邻近器件, 因为干扰的 频率相当高, 此时许多 器件的电源 抑制不一定很好。 所幸的是,通常 可以通过选择 合适的电源 去耦电容器 来解决该问题。 例如,LMC7211 数据表提供了 有关如何 为该目的 选择电容器的 详细信息。 此外,不要忘记遵循 良好的印刷电路板 布局技巧,这些 技巧可以为电容器 提供低电感路径。 比较器的另一个 常见交流注意事项 是传播延迟。 这是当输入变为 其最终输入电平的 50% 时比较器 输出达到 其最终输出电平 50% 所需的时间。 请注意,指定了两种 传播延迟 -- 一种 针对输出从低电平 到高电平的转换, 这称为 Tp(lh),另一种针对 从高电平到低电平的 转换,这称为 Tp(hl)。 除了传播延迟, 还指定了输出 波形的上升时间 Tr 和下降时间 Tf。 这是输出从其 最终值的 10% 转换为其 90% 所需的时间。 请注意,由于 输出级晶体管的 大小和阻抗, 比较器的传播 延迟对于上升沿 和下降沿可能是 不同的。 比较器的 传播延迟 时间受输入 过驱量的影响。 在这种情况下, 过驱被定义为 施加到另一个输入上、 相对于基准电平的附加 输入信号振幅。 例如,如果将 基准输入设置为 1 伏,并且信号 输入为 1.02 伏, 那么过驱电平 等于 20 毫伏。 对比较器输入进行 过驱会导致传播 延迟时间缩短。 缩短的时间是有限的, 但幅度可能很大, 因为过驱 范围为 5 毫伏 至 100 毫伏。 最显著的时间 缩短发生在 过驱范围的 下限区域, 例如 5 毫伏 至 20 毫伏。 该幻灯片顶部的 图显示了 TLV3501 的 变化传播延迟 与过驱电压间的 关系。 我们要在 本视频中 讨论的最后 一项比较器 规格称为 比较器的 最大切换频率。 我们可以通过 该规格来了解 比较器的 总体速度, 可以使用此处显示的 公式来计算该规格。 只需将上升时间、 下降时间、从低电平 到高电平的传播 延迟和从高电平 到低电平的传播 延迟相加,然后求 结果的倒数。例如,如果我们 使用 TLV3501 时序 参数,那么我们可以 计算得出最大切换 频率大约为 83.3 兆赫。 数据表提供的值 为 80 兆赫,这与我们的 计算结果非常接近。 再以 TLV3201 为例, 我们可以计算 得出最大切换 频率大约为 10.9 兆赫。 数据表未 指定相应的值, 但实验室测试证实了 该限值大约为 10 兆赫。 本视频到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以 检查您对本视频 内容的理解。 250

大家好,欢迎观看 TI 高精度实验室

视频,本节讨论比较器 应用的第 3 部分。

在本视频中,我们将讨论 几个关于比较器的主题,其中

包括在比较器 设计中使用单电源

和双电源之间的 差异、比较器的

共模电压限制、 比较器输出

信号中的 启动不确定性

以及击穿电流 传播延迟和

最大切换 频率的

内容。

工程师们常常 想知道比较器

是否可以成功地 与双电源配合使用。

尽管比较器 最经常被显示和指定单

电源配置 ,

但它们几乎总是 配置为双电源。

该幻灯片显示了 4 个与单电源和

双电源配合 使用的 3.3 伏

集电极开路和推挽 输出比较器示例。

这些配置之间的 主要差异在于

输入和输出电压 范围以及输出

电流行为。

在左上角, 我们具有

一个配置为 单电源的

集电极开路比较器。

当电路的输出为 逻辑高电平时,

输出级晶体管 关闭,并且上拉

电阻器将电压 上拉至电源。

在该状态下, 比较器的输出

未消耗电流, 没有电流流过

上拉电阻器。

当输出被驱动为 低电平,达到 0 伏时,

比较器的输出级 晶体管导通,上拉

电阻器上将 具有完整的

3.3 伏电源电压。

可以通过将 电源电压

除以上拉电阻来 计算输出级中的

电流。

在左下角, 我们具有

配置为双 电源的集电极

开路比较器。

V+ 到 V- 的 总电源电压

仍为 3.3 伏, 唯一的变动

是中位电压 现在等于 0 伏。

现在,V+ 是正 1.65 伏,V- 是

负 1.65 伏。

对于该电路,输入 共模范围和输出

摆幅范围跨越负 1.65 伏至正 1.65 伏的

电源范围。

与单电源电路 类似,当输出

为正 1.65 伏的 高电平时,

该配置不需要电流, 当输出为负 1.65 伏的

低电平时, 将灌入电流。

右上角是配置为 单电源的推挽

比较器。

在该情况下,输出 连接到一个负载电阻器。

当比较器的输出 为 0 伏的低电平时,

输出电流为 0, 因为负载上的

电压为 0。

当输出为 3.3 伏的 高电平时,

比较器会拉取电流, 该电流大小等于

3.3 伏除以负载电阻。

最后,在右下角,我们 具有配置为双电源的

推挽比较器。

在该情况下, 当比较器

将输出驱动至正 1.65 伏的高电平时,

它必须拉取电流, 将输出驱动至负

1.65 伏的低电平时, 它必须灌入电流。

让我们继续讨论 比较器的输入

共模电压范围。

尽管对于许多 比较器,允许的

共模电压简单明了, 其范围为负电源

电压至正电源电压, 但存在一些有趣的

例外情况。

例如,毫微功耗 比较器 TLV3401 和

TLV3701 可提供 正电源电压

VCC 以上正 5 伏的 输入共模范围

VICR。

工程师们常常询问 在该扩展的共模电压

区域内运行时, 这些器件是否

仍具有与比较器 相同的行为。

由于这是器件 数据表的

电气特性表中 提供的一项规格,

因此这意味着 在此条件下

该产品仍 将按照规定

运行。

然而,共模范围 高出电源如此

之多是不常见的, 因此我们构建了

左侧显示的电路 并在工作台上

对其进行了测试, 以展示其在比

正电源高 5 伏的 输入信号下的

运行情况。

该幻灯片的中间 部分提供了电路

运行的示波器 截图,其中

输入信号以 橙色显示,

输出信号以 蓝色显示。

TLV3401 确实正常 运行,但有趣的是,

我们发现使输出 更改状态所需的

差分输入 电压会在

VCC 增大时增大。

右侧的表中 总结了这些结果。

尽管差分输入 电压要求稍大

一些,但该功能 可以为输入电压

具有比 VCC 更大的共模

电平的应用提供 更简单的解决方案。

会在比较器 电路中遇到的

一个常见问题称为启动 输出状态不确定性。

启动状态不确定性 意味着当比较器的

电源电压升高时, 无论输入信号如何,

输出都可能会在 各种状态之间来回转换。

因此,在启动期间 输出可能会间歇性地

提供虚假或 错误的状态,

直到电源 电压达到

比较器的最低 额定工作电压、

器件稳定。

如果比较器后面的 电路在启动期间

更快地激活并且 根据来自比较器的

意外输出状态进行操作, 那么这可能是一个问题。

此处显示的电路中 使用 TLV3492 说明了

该行为。

在该示例中, 电源电压

使用锯齿信号 发生器缓慢升高。

以红色和黑色 显示了两组

不同的输入情况。

对于第一种以 红色显示的情况,

同相输入上的 电压大于

反相输入 上的电压,

因此输出应 为逻辑高电平。

我们可以看到, 当电源电压

从 0 伏升至 3 伏时, 输出状态实际上

从逻辑低电平转换为逻辑高电平, 然后再转换为逻辑低电平,

然后在电源电压达到 1.5 伏时稳定至逻辑

高电平。

在这一点之后, 比较器的输出

保持在逻辑高 电平,这符合预期。

请记住,对于 TLV3492,1.5 伏

实际上低于 最小电源电压

要求 1.8 伏。

对于以黑色 显示的第二种

情况,反相 输入电压

高于同相 输入电压。

在这种情况下,预期的 输出为逻辑低电平,

但实际输出 在电源电压

升高时短暂地 转换为逻辑高电平。

该不确定启动 行为是不常见的,

可以在许多 比较器中观察到。

所幸的是,某些更 现代的比较器具有

相应的内部电路, 可以解决该问题。

例如,TLV3691 具有上电复位 -- 或 POR -- 电路,该电路

可在启动期间 强制比较器

输出为低电平。

如果我们重复 前一张幻灯片中的

电源电压升高 测试,那么我们

可以观察到在 达到最低 VCC 之前,

比较器输出一直 保持低电平。

这可能是某些 可靠启动行为

至关重要的应用 中的重要功能。

具有推挽输出的 比较器的一项

重要交流 注意事项

称为击穿电流。

这是在特定的 条件下从正

电源流向 负电源的

电流浪涌。

当比较器 输出的状态

变化时会产生 击穿电流,此时

此时两个输出晶体管 都短暂地导通。

这会创建一条 从正电源通过

输出电阻器的 导通电阻到达

负电源的电流 路径,从而导致

电源电流中 出现短暂的

干扰。

这些干扰可能会 影响邻近的比较器,

尤其是在使用双封装 或四封装器件时。

电源干扰还可能 会影响连接到

同一电源的 邻近器件,

因为干扰的 频率相当高,

此时许多 器件的电源

抑制不一定很好。

所幸的是,通常 可以通过选择

合适的电源 去耦电容器

来解决该问题。

例如,LMC7211 数据表提供了

有关如何 为该目的

选择电容器的 详细信息。

此外,不要忘记遵循 良好的印刷电路板

布局技巧,这些 技巧可以为电容器

提供低电感路径。

比较器的另一个 常见交流注意事项

是传播延迟。

这是当输入变为 其最终输入电平的

50% 时比较器 输出达到

其最终输出电平 50% 所需的时间。

请注意,指定了两种 传播延迟 -- 一种

针对输出从低电平 到高电平的转换,

这称为 Tp(lh),另一种针对 从高电平到低电平的

转换,这称为 Tp(hl)。

除了传播延迟, 还指定了输出

波形的上升时间 Tr 和下降时间 Tf。

这是输出从其 最终值的 10%

转换为其 90% 所需的时间。

请注意,由于 输出级晶体管的

大小和阻抗, 比较器的传播

延迟对于上升沿 和下降沿可能是

不同的。

比较器的 传播延迟

时间受输入 过驱量的影响。

在这种情况下, 过驱被定义为

施加到另一个输入上、 相对于基准电平的附加

输入信号振幅。

例如,如果将 基准输入设置为

1 伏,并且信号 输入为 1.02 伏,

那么过驱电平 等于 20 毫伏。

对比较器输入进行 过驱会导致传播

延迟时间缩短。

缩短的时间是有限的, 但幅度可能很大,

因为过驱 范围为 5 毫伏

至 100 毫伏。

最显著的时间 缩短发生在

过驱范围的 下限区域,

例如 5 毫伏 至 20 毫伏。

该幻灯片顶部的 图显示了 TLV3501 的

变化传播延迟 与过驱电压间的

关系。

我们要在 本视频中

讨论的最后 一项比较器

规格称为 比较器的

最大切换频率。

我们可以通过 该规格来了解

比较器的 总体速度,

可以使用此处显示的 公式来计算该规格。

只需将上升时间、 下降时间、从低电平

到高电平的传播 延迟和从高电平

到低电平的传播 延迟相加,然后求

结果的倒数。例如,如果我们 使用 TLV3501 时序

参数,那么我们可以 计算得出最大切换

频率大约为 83.3 兆赫。

数据表提供的值 为 80 兆赫,这与我们的

计算结果非常接近。

再以 TLV3201 为例, 我们可以计算

得出最大切换 频率大约为

10.9 兆赫。

数据表未 指定相应的值,

但实验室测试证实了 该限值大约为 10 兆赫。

本视频到此结束。

谢谢观看。

请尝试完成测验以 检查您对本视频

内容的理解。 250

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15.2 比较器应用3

所属课程:TI 高精度实验室系列课程 - 放大器 发布时间:2019.05.23 视频集数:56 本节视频时长:00:11:40

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